光伏设备行业之四：钙钛矿电池技术，再塑光伏效率天花板-广发证券.pdf

识别风险，发现价值 请务必阅读末页的免责声明 1 / 25 [Table_Page] 深度分析|专用设备 证券研究报告 [Table_Title] 光伏设备行业之四 钙钛矿电池技术，再塑光伏效率天花板 [Table_Summary] 核心观点 ⚫ 钙钛矿太阳能电池，有何来头钙钛矿太阳能电池是以钙钛矿型 （ABX3型）晶体为吸光层的新一代薄膜太阳能电池，钙钛矿光吸收系 数高、材料成本低，钙钛矿电池结构简单，制造工艺流程短，生产能耗 低；钙钛矿电池效率不断提高，历时多年钙钛矿电池光电转换效率从 3.8提升至25.7，有望打平甚至超越晶硅电池，而原料、制造成本 远低于晶硅电池，有望成为新一代的光伏技术；随着相关企业逐步攻克 钙钛矿电池长期稳定性、大面积制备等关键技术，该技术有望成熟。 ⚫ 钙钛矿叠层电池，效率几何钙钛矿叠层电池光电转换效率有望达到 45以上，含有多个吸光层的叠层电池，分别吸收不同波长的阳光，提 升了光的利用率；两结电池理论极限效率45，三结极限效率49。 南京大学研发的钙钛矿/钙钛矿叠层电池，效率 28.0；EPFL/CSEM 研制的钙钛矿/硅叠层电池，效率31.3，未来还将持续发展突破。 ⚫ 钙钛矿工艺，路在何方钙钛矿电池核心结构为电子传输层ETL/钙钛 矿层/空穴传输层HTL组成的“三明治”薄膜结构，工艺包括薄膜制备、 激光刻蚀、封装三大步，关键在实现大面积高质量薄膜制备。溶液涂布 法（刮刀涂布机，狭缝涂布机，丝网印刷机）、溶液喷涂法（气压或超 声喷头，压电印刷设备）、气相沉积法（磁控溅射PVD, 反应式等离子 体沉积RPD，真空蒸镀等设备）等薄膜制备设备正在同步发展。 ⚫ 钙钛矿产业，谁在推进协鑫纳米、纤纳光电等多家公司竞技钙钛矿 光伏电池产业化。苏州协鑫纳米投建的 100MW 量产线已在昆山完成 厂房和主要硬件建设，组件尺寸1m2m，组件效率18以上；杭州 纤纳光电22年5月20日发布了全球首款钙钛矿商业化组件alpha， 实现了 100MW 级规模量产。随着多家的持续推进，钙钛矿光伏电池 产业化的前景越来越明朗。 ⚫ 钙钛矿设备，谁在布局国产设备厂商德沪涂膜、众能光电、捷佳伟 创、晟成光电（京山轻机子公司）、迈为股份、帝尔激光等积极布局钙 钛矿电池设备研发。德沪涂膜深耕狭缝涂布设备，供应协鑫100MW量 产线；众能光电已对外销售刮涂/涂布一体机、磁控溅射、热蒸发镀、 ALD和激光刻蚀机等工艺单机以及光伏组件整线近100台套；2022年 6月，晟成光伏钙钛矿电池团簇型多腔式蒸镀设备量产，成功应用多个 客户端；2022年7月，捷佳伟创钙钛矿电池RPD设备出厂发货；迈 为股份、帝尔激光积极推进钙钛矿激光设备。 ⚫ 风险提示。电池技术提效降本不及预期的风险；行业竞争加剧的风险； 技术迭代对不同设备影响的风险；需求波动的风险；贸易摩擦的风险。 [Table_Grade] 行业评级 买入 前次评级 买入 报告日期 2022-07-16 [Table_PicQuote] 相对市场表现 [Table_Author] 分析师 代川 SAC 执证号S0260517080007 SFC CE No. BOS186 021-38003678 daichuangf.com.cn 分析师 朱宇航 SAC 执证号S0260520120001 021-38003676 zhuyuhanggf.com.cn 请注意，朱宇航并非香港证券及期货事务监察委员会的注 册持牌人，不可在香港从事受监管活动。 [Table_DocReport] 相关研究 “他山之石”系列五百年征 程，林德是如何从设备转型 气体的 2022-07-13 氢能行业深度氢风徐来，静 待产业链落子花开 2022-07-04 锂电设备专题（四）锂电新 势力扩产，本轮有何不同 2022-07-01 [Table_Contacts] 联系人 王宁021-38003627 shwangninggf.com.cn -29 -20 -11 -3 6 15 07/21 09/21 11/21 01/22 03/22 05/22 07/22 专用设备 沪深300 识别风险，发现价值 请务必阅读末页的免责声明 2 / 25 [Table_PageText] 深度分析|专用设备 [Table_impcom] 重点公司估值和财务分析表 股票简称 股票代码 货币 最新 最近 评级 合理价值 EPS元 PEx EV/EBITDAx ROE 收盘价 报告日期 （元/股） 2022E 2023E 2022E 2023E 2022E 2023E 2022E 2023E 捷佳伟创 300724.SZ CNY 122.50 2022/07/12 买入 140.00 2.80 3.61 43.75 33.93 38.02 29.75 13.60 14.90 迈为股份 300751.SZ CNY 480.00 2022/07/12 买入 501.62 5.02 6.83 95.62 70.28 98.98 71.04 12.80 14.80 帝尔激光 300776.SZ CNY 178.59 2022/05/20 买入 249.89 4.90 6.99 36.45 25.55 50.20 35.03 18.40 20.80 海目星 688559.SH CNY 75.50 2022/04/28 买入 69.86 1.75 3.45 43.14 21.88 44.81 26.08 16.60 22.60 奥特维 688516.SH CNY 315.00 2022/07/07 买入 295.03 5.90 8.00 53.39 39.38 43.47 31.08 29.20 28.20 晶盛机电 300316.SZ CNY 68.47 2022/07/12 买入 77.74 1.94 2.54 35.29 26.96 32.10 24.74 26.80 26.00 高测股份 688556.SH CNY 88.70 2022/07/14 买入 93.15 2.33 3.63 38.07 24.44 29.38 18.46 30.20 32.00 数据来源Wind、广发证券发展研究中心 备注表中估值指标按照最新收盘价计算 识别风险，发现价值 请务必阅读末页的免责声明 3 / 25 [Table_PageText] 深度分析|专用设备 目录索引 一、硅基光伏成熟商用，钙钛矿电池有望成新增长点 5 （一）钙钛矿太阳能电池，光伏产业的新希望. 6 （二）钙钛矿光伏电池持续突破，成本优势凸显 . 10 （三）钙钛矿叠层太阳能电池，创造光电转换效率新极限 12 （四）钙钛矿电池制备，从实验室迈向产业化. 13 二、解决大面积钙钛矿薄膜制备技术痛点，实现高效率光伏组件制备 15 （一）大面积高品质薄膜制备技术是关键 15 （二）防水防氧化防铅泄露，封装技术是保障. 18 （三）激光刻蚀构建钙钛矿组件串联结构是点缀 . 18 （四）钙钛矿电池产业发展展望 19 三、企业量产跃跃欲试，设备厂商摩拳擦掌. 20 （一）国内外企业竞技钙钛矿电池研发，我国领跑 . 20 （二）钙钛矿电池设备研发，助力钙钛矿电池成熟商用 21 四、风险提示 23 （一）电池技术提效降本不及预期的风险 23 （二）行业竞争加剧的风险 23 （三）技术迭代对不同设备影响的风险 . 23 （四）下游需求波动的风险 23 （五）贸易摩擦的风险 . 23 识别风险，发现价值 请务必阅读末页的免责声明 4 / 25 [Table_PageText] 深度分析|专用设备 图表索引 图 1太阳能电池技术路线图 5 图 2钙钛矿电池材料 . 6 图 3钙钛矿电池结构 . 7 图 4钙钛矿电池工作原理图 8 图 5各类太阳能电池实验和理论极限光电转换效率比较 . 10 图 6钙钛矿电池产业链明显短于晶硅电池产业链 11 图 7全钙钛矿叠层太阳能电池（左）与硅/钙钛矿叠层太阳能电池（右） 12 图 8两种原料，两种方法搭配使用制备钙钛矿薄膜的多种路线图 14 图 9一种反式p-i-n型钙钛矿太阳能电池制备流程图 . 15 图 10磁控溅射技术原理与设备 . 16 图 11钙钛矿电池薄膜制备技术路线一览 17 图 12激光刻蚀构建串联钙钛矿组件电路 19 图 13纤纳光电钙钛矿光伏组件 . 20 图 14协鑫光电钙钛矿光伏电池组件 . 20 图 15德沪涂膜狭缝涂布设备 21 图 16晟成光伏钙钛矿电池团簇型多腔式蒸镀设备 21 表 1钙钛矿光伏电池效率提升史 . 9 表 2各类型钙钛矿太阳能电池效率纪录 10 表 3钙钛矿太阳能电池与晶硅太阳能电池对比 . 11 表 4各层薄膜制备技术 15 表 5大面积钙钛矿薄膜制备技术对比 17 表 6我国钙钛矿电池行业产能量化进展 20 表 7我国钙钛矿电池设备进展 . 22 识别风险，发现价值 请务必阅读末页的免责声明 5 / 25 [Table_PageText] 深度分析|专用设备 一、硅基光伏成熟商用，钙钛矿电池有望成新增长点 硅基光伏电池技术发展历经多代更迭，物理上逐渐逼近了其光电转换效率的理论极 限，技术上已经进入大范围成熟商用的阶段。1973年，采用铝背场钝化技术的BSF （Aluminium Back Surface Field，铝背场电池）问世，理论极限效率20。1982年， 采用氧化铝局部钝化技术的PERC（Passivated Emitter and Rear Contact，发射极 钝化和背面接触）技术被发明，钝化效果优于BSF技术，电池极限效率增长到23。 目前，TOPCon（Tunnel oxide passivated contact, 隧穿氧化层钝化接触）、HJT （Heterojunction with Intrinsic Thinfilm，异质结）和IBC（Interdigitated back contact， 交叉背接触）技术开始推进广泛商用。最新一代IBC电池光电转换效率有望达到26 以上。TOPCon、HJT采用新的钝化接触结构来提高钝化效果从而提高转换效率，IBC 则是将电池正面的电极栅线全部转移到电池背面，通过减少栅线对阳光的遮挡来提 高转换效率。IBC作为平台技术与TOPCon技术的叠加成为“TBC”电池，与HJT技术 的叠加成为“HBC”电池。 图 1太阳能电池技术路线图 数据来源NREL，Solar cell efficiency tables Version 60，广发证券发展研究中心 随着TOPCon、HJT、IBC等技术逐步成熟，逼近其光电转换效率理论极限，业界开 始寻找新一代太阳能技术。钙钛矿太阳能电池（perovskite solar cells）实验室光 电转换效率迅猛增长，叠层电池的实验转换效率已经超越硅基太阳能技术。洛桑联 邦理工学院EPFL和瑞士电子与微技术中心CSEM共同研发的钙钛矿/硅叠层太阳 能电池光电转换效率31.3。钙钛矿太阳能电池具有光吸收系数高和载流子迁移率 高，载流子扩散距离长、带隙灵活可调并且制备工艺简单，原材料成本相对低廉等 优势。随着钙钛矿电池稳定性持续改善，未来钙钛矿电池结合叠层技术，可制成钙 钛矿/硅或钙钛矿/钙钛矿叠层太阳能电池。据scientific report结果，双结叠层电池 理论极限光电转换效率45左右，三结叠层电池理论极限光电转换效率49左右。 钙钛矿太阳能电池是一种新型薄膜太阳能电池，它利用钙钛矿型金属卤化物半导体 作为吸光层材料，吸收光子，产生电子对，驱动电池。过去十几年，钙钛矿电池效率 识别风险，发现价值 请务必阅读末页的免责声明 6 / 25 [Table_PageText] 深度分析|专用设备 从3提升到28，增速远高于硅基电池的发展速度，13年时间走完了硅基电池40年 的发展历程。 （一）钙钛矿太阳能电池，光伏产业的新希望 早期，钙钛矿指一种金属矿物。现在，钙钛矿泛指具有和钛酸钙（CaTiO3）相同或 类似晶体结构的离子晶体，结构式为AMX3。常用的钙钛矿电池材料中，采用1价有 机或无机阳离子占据A位，例如金属铯离子（Cs）有机甲胺离子（CH3NH2，简记 为MA）和有机甲脒离子（CHNH22，简记为FA）M位金属为铅离子（Pb2）或 （Sn2），X位为卤素离子碘离子（I-），溴离子（Br-），氯离子（Cl-）。M位金属 阳离子与X位卤素阴离子在空间形成八面体结构，A位基团位于这些八面体的空隙中， 撑起整个结构。 图 2钙钛矿电池材料 数据来源Nature Review Material，广发证券发展研究中心 钙钛矿材料作为光电转换材料，具有以下优势 1. 光电转换效率很高，性能优越。钙钛矿材料吸光系数很高，传统薄膜太阳能电池 吸光层材料GaAs在可见光区域内的吸收系数大约为104cm-1，明显低于常用钙钛矿 材料甲氨铅碘（CH3NH2PbI3）的吸收系数105cm-1。光照条件下，钙钛矿材料产生的 光生电子空穴对数量多，质量好，分离距离很远，寿命很长，不会湮灭。方便了设计 较厚的钙钛矿层，更充分吸光。 2. 材料制造成本低，合成方法简单。对比硅需要1500℃高耗能生产，钙钛矿材料 的材料制造成本相对较低，合成方法很简单。 3. 具有可设计性，可实现自由调控吸光带隙（1.23eV）。通过调整A、B和X含量 可以获得不同组分钙钛矿材料，对应钙钛矿材料的带隙及能级分布也各不相同，通 过卤族元素替换，Pb-Sn合金和阳离子工程，实现钙钛矿能带隙连续调控（1.23eV）。 硅电池的能带隙难以调控，极限效率仅为29左右，单层钙钛矿电池理论最大光电 转换效率在30以上。带隙可调控也为构建叠层电池创造了条件，不同能带隙钙钛 矿层组成叠层太阳能电池，每个能带层吸收不同波长的太阳光，拓宽了太阳能光谱 的利用范文，增大了光能的利用效率，叠层电池的极限效率有望突破40。 识别风险，发现价值 请务必阅读末页的免责声明 7 / 25 [Table_PageText] 深度分析|专用设备 目前，钙钛矿材料作为太阳能电池潜力材料，还有以下的机遇与挑战 1. 大规模制备钙钛矿层技术不成熟。实验室中测试的钙钛矿电池一般小于等于1 cm2。实验室中使用匀胶机旋涂仪制备钙钛矿薄膜。旋涂法只能制备小面积均匀薄膜， 而且会浪费大量原料，不能进行大面积薄膜制备。制备大面积钙钛矿薄膜的技术正 是各家设备厂商技术研发，争夺市场的新机遇。 2. 钙钛矿材料的稳定性不足。硅基太阳能电池寿命可达到20年以上，但目前钙钛矿 电池有效寿命还不够长。光照，热量，电场，水均会促进钙钛矿材料中的离子迁移， 进而破坏电池，所以进行组分调控，掺杂，控制晶界，表面修饰，从而抑制离子迁 移成为学术界的研究热点。 钙钛矿电池进一步走向产业化，还需要针对器件性能和稳定性开展更为深入的研究。 图 3钙钛矿电池结构 数据来源钙钛矿太阳能电池的性能优化及稳定性研究王硕，广发证券发展研究中心 钙钛矿电池的基本结构为一个钙钛矿层Perovskite Layer夹在电子传输层 （Electron Transport Layer，ETL）和空穴传输层（Hole Transport Layer，HTL） 中间，构成三明治结构，再往外是电极层。常见的钙钛矿电池结构有正式结构（也 称n-i-p型）结构和反式结构（也称p-i-n型）两种。两种结构的区别是传输层位置相 反正式结构中自顶向下依次是电子传输层 / 钙钛矿层 / 空穴传输层；反式结构中 自顶向下依次是空穴传输层 / 钙钛矿层 / 电子传输层。两种结构暂无明显优劣之分。 下面以一般的正式钙钛矿电池n-i-p型为例，从光线进入方向，介绍完整的钙钛矿电 池各层结构。 1. 顶电极。在玻璃上镀一层氧化铟锡（ITO）或氟化氧化铟锡（FTO），作为电池电 极。 2. 电子传输层。可接受负电荷，传输电子载流子，一般由N型半导体构成。正式结 构中常用的电子传输层有致密或介孔的TiO2或SnO2，有机小分子如C60或者纳米复 合材料物质等，一般通过在顶电极上涂布，然后退火形成。 3. 钙钛矿层。由上文介绍的碱金属卤化物钙钛矿和有机金属卤化物钙钛矿组成，通 过涂布后退火或真空沉积形成。 4. 空穴传输层。接受传输空穴载流子，由P型半导体构成。常用的有spiro-OMeTED 识别风险，发现价值 请务必阅读末页的免责声明 8 / 25 [Table_PageText] 深度分析|专用设备 （正式结构常用），PTAA（反式（反式结构常用））等物质。该层占钙钛矿太阳能 电池总成本的一半以上。因此，开发新型高性能低成本空穴传输层也是钙钛矿太阳 能电池研究的热门方向。 5. 底电极。镀金或银等金属作为电极。 图 4钙钛矿电池工作原理图 数据来源Advanced Energy Materials，广发证券发展研究中心 钙钛矿太阳能电池的工作原理光照条件下，钙钛矿材料吸收光子，电子从价带跃 迁到导带，随后以极快的速度注入到电子传输层ETL，对应空穴被传输至空穴传输层 HTL；然后电子和空穴被电极收集，接上负载后，电池便可对外做功；电子传输层一 般为n型半导体，空穴传输层一般为p型半导体。在钙钛矿器件的运行过程中，主要 包括四个阶段 1. 载流子的产生与分离阶段，钙钛矿材料吸收入射光子后，电子从价带顶被激发到 导带底，形成具有库伦束缚的电子空穴对； 2. 载流子的扩散阶段，在内建电场的驱动下，电子和空穴在钙钛矿内部分别向负极 和正极方向扩散； 3. 载流子的传输阶段，在这个过程中，电子经过钙钛矿／电子传输层界面处，空穴 则经过钙钛矿／空穴传输层界面处，然后分别由各功能层抽取并传输； 4. 载流子被电极收集。电池内部形成一个稳定的回路电流。 钙钛矿太阳能电池光电转换效率提升快，理论效率极限更高。钙钛矿材料吸光系数 远高于晶硅材料，光电转换性能极好，可制成效率极高的太阳能电池。目前单结钙 钛矿电池最高效率25.7（韩国蔚山科技大学UNIST），全钙钛矿叠层最高效率28.0 （南京大学谭海仁课题组）。钙钛矿材料可以通过调整材料配比改变能带间隙，进 而改变吸收阳光的光子波长成分，理论单结极限光电转换效率为33，远高于晶硅 电池（＜29）。 钙钛矿电池效率提升速度远远快于晶硅类电池， 13年来，钙钛矿电池的光电转换效 率从3.8提升到28，晶硅类电池完成这一进程花了40年以上。钙钛矿太阳能电池 研究起始于2009年，日本桐荫横滨大学Miyasake教授率先将钙钛矿材料甲氨铅碘， 甲氨铅溴应用于染料敏化太阳能电池，获得了3.8的光电转换效率，这被公认为钙 钛矿太阳能研究电池的开端。2012年，Michael Gratzel等将一种新型有机空穴传输 识别风险，发现价值 请务必阅读末页的免责声明 9 / 25 [Table_PageText] 深度分析|专用设备 材料Spiro-OMeTAD引入到钙钛矿太阳能电池中，率先完成了全固态钙钛矿电池，效 率9.7。2015年，韩国蔚山科技大学教授Sang II Seok通过阳离子交换和钙钛矿层 材料改进，把光电转换效率提高到20以上。2021年，瑞士洛桑联邦理工学院教授 Michael Gratzel和韩国蔚山科技大学教授Jin Young Kim联合团队创造了25.7的钙 钛矿单结电池效率记录。2022年6月，南京大学教授谭海仁团队创造了28.0的钙钛 矿/钙钛矿叠层电池记录。2022年7月洛桑联邦理工学院EPFL和瑞士电子与微技术 中心CSEM共同创造了钙钛矿-硅叠层光伏电池新的世界纪录，达到31.3。 表 1钙钛矿光伏电池效率提升史 时间 发明人 发明单位 钙钛矿电池技术 光电转换效率 2009年 Miyasaka 日本桐荫横滨大学 钙钛矿材料MAPbI/Br3 应用于染料敏化电池； 开启钙钛矿电池研究。 3.8 2012年 Michael Gratzel 瑞士洛桑联邦理工大学 使用新型有机空穴传输层材料spiro- OMeTED； 第一个全固态钙钛矿电池。 9.7 2013年 Henry Snaith 英国牛津大学 氧化铝取代氧化钛； 氧化铝在作为骨架辅助钙钛矿成膜。 15.4 2014年 杨阳 加州大学洛杉矶分校 改进钙钛矿光吸收层； 选择更合适电子传输材料。 19.3 2015年 Sang II Seok 韩国蔚山科技大学 阳离子交换； 改进钙钛矿层材料。 20.1 2017年 Sang II Seok 韩国蔚山科技大学 引入碘三负离子修复钙钛矿缺陷； 结合两步法旋涂成膜。 22.1 2018年 游经碧 中科院半导体所 PEA阳离子钝化 23.3 2021年 Michael Gratzel Jin Young Kim 瑞士洛桑联邦理工大学 韩国蔚山科技大学 仿卤化阴离子甲酸根掺杂； 调控FAPbI3。 25.7 2022年 谭海仁 南京大学 钙钛矿叠层太阳能电池； ALD-SnO2/Au/PESOT隧穿复合结； 全溶液法制备钙钛矿薄膜。 28.0 2022年 Dr. Christian Wolff Dr. Brett Kamino 洛桑联邦理工学院 瑞士电子与微技术中心 钙钛矿/硅叠层电池； 与纹理硅表面兼容 混合蒸汽/溶液加工技术 31.3 数据来源钙钛矿太阳能电池的性能优化及稳定性研究王硕，南京大学谭海仁课题组，广发证券发展研究中心 与晶硅电池相比，钙钛矿电池在效率极限方面具有一定的优越性。晶硅电池的理论 极限效率较为明显，目前最高的晶硅电池实验效率为26.5（隆基N型异质结HJT电 池，2022年六月）。钙钛矿电池可以通过调节钙钛矿材料的成分配比，加入促进剂， 调节钙钛矿材料吸光能带隙大小，达到单结电池极限光电转换效率33。钙钛矿材 料有一定透光性，可组成多结太阳能电池。钙钛矿与晶硅电池叠层形成钙钛矿/硅叠 层电池，理论极限效率35。两个钙钛矿电池叠加形成钙钛矿/钙钛矿叠层电池，极 限光电转换效率为45。 识别风险，发现价值 请务必阅读末页的免责声明 10 / 25 [Table_PageText] 深度分析|专用设备 图 5各类太阳能电池实验和理论极限光电转换效率比较 数据来源德沪涂膜公众号，PV-tech公众号，广发证券发展研究中心 随着学术界不断刷新钙钛矿电池光电转换效率，钙钛矿电池已经来到商业化的前夜。 科研工作者探索成果转换，初创企业如雨后春笋，传统巨头也准备加深护城河。钙 钛矿电池的商业化探索如火如荼，各家企业着力解决大尺寸面积，高性能高稳定性 钙钛矿电池组件制造问题。 表 2各类型钙钛矿太阳能电池效率纪录 发明时间 发明单位 钙钛矿电池技术 光电转换效率 2022年1月 华东师范大学 宁波材料所 反式钙钛矿电池光电转换效率世界纪录 24.3 2021年12月 瑞士洛桑联邦理工大学 韩国蔚山科技大学 钙钛矿太阳能电池最高认证光电转换效率 25.7 2022年7月 洛桑联邦理工学院 瑞士电子与微技术中心 钙钛矿/硅叠层太阳能电池最高认证光电转换效率 31.3 2021年11月 荷兰应用科学研究组织 Energy Ville Eindhoven理工大学 钙钛矿/硅异质结叠层太阳能电池最高认证光电转换效率 29.2 2022年5月 南京大学 钙钛矿/钙钛矿叠层太阳能电池最高认证光电转换效率 28.0 2022年5月 南京大学 首次实现了全钙钛矿叠层大面积光伏组件 21.7 2022年4月 极电光能 300cm的大尺寸钙钛矿光伏组件最高认证光电转换效率 18.2 2021年10月 杭州纤纳光电 19.32cm钙钛矿光伏组件最高认证稳态效率 21.4 数据来源PV-tech，Solar cell efficiency tables Version 60，广发证券发展研究中心 （二）钙钛矿光伏电池持续突破，成本优势凸显 钙钛矿电池材料成本低，结构简单，制造工艺流程短，生产能耗低。以1GW产能投 资来对比，晶硅的硅料、硅片、电池、组件全部加起来，需要大约9亿、接近10亿元 的投资规模，而钙钛矿1GW的产能投资，在达到一定成熟度后，约为5亿元左右，是 晶硅的1/2。 钙钛矿组件制造工艺流程短，在单一工厂45分钟内即可完成从原材料到组件的制造。 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00 45.00 50.00 HJT电池 TOPCon电池 钙钛矿单结电池 钙钛矿/晶硅叠层电池 钙钛矿/钙钛矿叠层电池 实验光电转化效率 理论极限光电转化效率 识别风险，发现价值 请务必阅读末页的免责声明 11 / 25 [Table_PageText] 深度分析|专用设备 据协鑫纳米的披露，100兆瓦的单一工厂，从玻璃、胶膜、靶材、化工原料进入，到 组件成型，总共只需45分钟。而对于晶硅来说，硅料、硅片、电池、组件需要四个 以上不同工厂生产加工，倘若所有环节无缝对接，一片组件完工大概也要三天左右 时间，用时差异很大。 图 6钙钛矿电池产业链明显短于晶硅电池产业链 数据来源能镜公众号，五年后，钙钛矿崛起（范斌），广发证券发展研究中心 资本投资方面根据协鑫纳米估算，相同产能，钙钛矿电池投资大约为晶硅电池一 半，1GW仅需5亿元。晶硅的1GW硅料、硅片、电池、组件合计接近10亿元的投资 规模，而钙钛矿电池1GW的产能投资，在达到一定成熟度后，约为5亿元左右。 原料来源方面钙钛矿电池原料用量少，且不存在稀缺性。晶硅组件中的硅片，厚 度通常为180微米，而钙钛矿组件中，钙钛矿层厚度大概是0.3微米，原材料用料极 少。每块晶硅材料组件消耗1kg硅材料，同样大小的钙钛矿组件仅消耗2g钙钛矿材料。 加工制造方面钙钛矿纯度要求很低，制造能耗也很低。太阳能级的硅料，纯度需 要达到99.9999。但对于钙钛矿，只需要纯度95，即可满足使用需求，从能耗角 度，单晶硅料制备最高温度需要1700℃，钙钛矿材料制备仅仅需要150℃。每1瓦单 晶组件制造的能耗，大约是1.52KWh，而钙钛矿组件能耗为0.12KWh，单瓦能耗只 有晶硅的1/10，能耗优势显著。 综合成本方面相比于晶硅，钙钛矿也有很大优势，单瓦仅需5毛钱。单片组件成本 结构中，钙钛矿占比约为5，玻璃、靶材等占2/3，单瓦总成本约为5毛到6毛钱，是 晶硅电池极限成本的50。 表 3钙钛矿太阳能电池与晶硅太阳能电池对比 对比项 晶硅太阳能电池 钙钛矿太阳能电池 工艺流程长度 四个工厂，耗时三天以上 单一工厂，45分钟 1GW产能投资成本 9.6亿元 5亿元 吸光层厚度 180微米 0.3微米 吸光层成本占比 60 5 吸光层纯度要求 99.9999纯硅 95纯度钙钛矿 最高工艺温度 1700℃ 150℃ 单瓦功耗 1.52KWh 0.12KWh 标准尺寸铅含量 18g 2g 寿命 25年以上 10000小时稳定 数据来源能镜公众号，五年后，钙钛矿崛起（范斌），广发证券发展研究中心 识别风险，发现价值 请务必阅读末页的免责声明 12 / 25 [Table_PageText] 深度分析|专用设备 钙钛矿材料含铅，但相同尺寸中只有晶硅器件1/10，不会造成环保问题。因为钙钛 矿材料B位置为铅离子，有很多对钙钛矿组件造成铅泄露的担心。但实际上钙钛矿电 池钙钛矿层极薄，只有0.3微米左右，含铅量很小。每一块标准尺寸的晶硅组件里大 概有18克左右的铅，而同样尺寸的钙钛矿组件，含铅量不会超过2克，钙钛矿的含铅 量只有晶硅的1/10。 （三）钙钛矿叠层太阳能电池，创造光电转换效率新极限 在国家发改委发布的中国2050年光伏发展展望中指出在高效单结硅电池基础 上，更高效的双结叠层电池有望实现低成本规模化发展。这为我们指明，高效率叠 层电池是未来光伏技术发展的重要方向。钙钛矿层和传输层材料可以选取透光材料， 而且钙钛矿层吸光成分可调控，所以有希望制造出全钙钛矿叠层太阳能电池与硅/钙 钛矿叠层太阳能电池。 钙钛矿/钙钛矿叠层电池或钙钛矿/晶硅叠层电池兼具超高效率（理论极限效率40） 和低成本的突出优点，有望成为光伏产业的终极科技。现在商用的PERC、TOPCon、 HJT电池，均为单结电池，只具有一个PN结，Shockley-Queisser理论极限功率约为 33。多结太阳能电池指具有多个PN结的太阳能电池，双结叠层太阳能电池的理论 极限效率是45，三结叠层太阳能电池的理论极限效率高达49。构筑具有多个吸 光层的多结叠层器件，利用不同能带隙吸光半导体材料吸收不同能带的太阳光，可 充分降低光生载流子的热弛豫损失，拓宽太阳能光谱的利用范围，进而有效提升光 伏电池的极限效率。传统的III-V族/晶硅叠层电池效率虽然高，但制备复杂，成本昂 贵，一般应用于卫星，飞船等空间应用，不能进行大规模商用。硅薄膜/有机薄膜太 阳能叠层电池成本较低，可柔性制造，但效率相对较低，尚未进入商用。 图 7全钙钛矿叠层太阳能电池（左）与硅/钙钛矿叠层太阳能电池（右） 数据来源南京大学谭海仁课题组，广发证券发展研究中心 钙钛矿材料的突出优势为可以通过卤族元素替换，Pb-Sn合金化和阳离子工程，实现 钙钛矿能带隙从1.2eV到3eV连续可调，也即实现了可调节钙钛矿材料吸收不同能量 水平的光子。在叠层钙钛矿电池中，两个钙钛矿太阳能电池串联，光照首先通过宽 带隙钙钛矿，高能可见光波段被吸收。剩下的光透过上层，进入窄带隙底钙钛矿电 识别风险，发现价值 请务必阅读末页的免责声明 13 / 25 [Table_PageText] 深度分析|专用设备 池，红外光等低能量光子被吸收。不同能量的太阳光成分被充分吸收利用。针对叠 层电池中开路电压低、短路电流小等问题，可以通过恰当设计两个太阳能电池之间 的隧穿结（如原子层沉积SnO2作为互联层和保护层，通过SnO2/Au/PEDOT结构设 计，实现高性能隧穿复合结），使用两性离子还原剂调控结晶促进均匀成核，提升薄 膜均匀性，抑制窄带隙钙钛矿中Sn2的氧化，进而提升全钙钛矿叠层太阳能电池的 性能。现在我国已实现大面积全钙钛矿叠层电池的世界纪录效率24.2，该成果已被 世界纪录效率表收录。通过钝化设计，吸光层增厚和光电匹配实现了世界纪录26.4 认证效率，首次超过了最佳单结钙钛矿电池。 除了全钙钛矿叠层电池，钙钛矿/晶硅叠层电池是另一种有效技术路线。将一个钙钛 矿太阳能电池生长在晶硅电池上，构成钙钛矿电池和晶硅电池的串联结构。目前在 平面硅上，可实现溶液涂布法制备钙钛矿层，电荷传输层。不过此种方法中表面的 光学反射较大，浪费的光能较多。而且，因为需要光滑的表面进行涂布钙钛矿电池 材料，与如今的商业化硅晶电池技术中双面制绒，不平表面的状态不匹配。如果需 要配合双面制绒的硅电池成熟工艺，过去只能使用气相沉积法制备钙钛矿电池。现 在，第一步真空沉积无机盐层，第二步气刀辅助液相涂布有机盐的技术被提出，有 望实现绒面硅电池上钙钛矿薄膜的保形生长。 （四）钙钛矿电池制备，从实验室迈向产业化 下面简单介绍在实验室中制造钙钛矿电池的工艺过程，并探讨其规模化生产的可行 性。制作钙钛矿电池的基本过程主要是一层层累置电池材料。 1. 准备底电极层。清洗玻璃氧化铟锡（ITO）电极一体的基底片，实验室中一般是 1cm*1cm的。 2. 制备电子传输层。首先对二氧化锡分散液进行稀释处理，将二氧化锡分散液与超 纯水会和稀释，过滤后将分散液低价在ITO基底上，在匀胶机上进行旋涂作业，制备 成均匀的薄膜。旋涂后将基片在空气中150℃退火30分钟，冷却至室温得到二氧化锡 电子传输层。 3. 制备钙钛矿层。一般来说，制备钙钛矿层需要两种原料无机盐（如PbI2）和有 机盐（如CH2NH2I）。实验室中常使用旋涂法或气相沉积法使两种材料分布在基底上 最后退火加热，形成钙钛矿晶体。旋涂法的具体过程将一定浓度的铅盐和有机盐 溶于DMF和DMSO的混合溶液中，搅拌溶解后制得钙钛矿前驱体溶液。然后，采用 一步反溶剂法旋涂制备钙钛矿薄膜，将得到的前驱体溶液滴在基片上，在旋涂过程 中向基片中央滴加氯苯，得到钙钛矿前驱体薄膜，退火后制得钙钛矿薄膜。 不同工艺，不同材料成分差异会影响钙钛矿晶粒的大小，进而显著影响钙钛矿太阳 能电池的光电转换效率。使用气相沉积法，需要真空蒸镀，生产成本较高，而且产生 的晶体比较小，导致电池效率比较低。均匀涂布实现薄膜制备是较好的技术路线。 识别风险，发现价值 请务必阅读末页的免责声明 14 / 25 [Table_PageText] 深度分析|专用设备 图 8两种原料，两种方法搭配使用制备钙钛矿薄膜的多种路线图 数据来源钙钛矿太阳能电池的性能优化及稳定性研究（王硕），UW CEI，广发证券发 展研究中心 在实验室中，使用匀胶机完成旋涂，制备均匀的薄膜。匀胶机是在高速旋转的基片 上，滴注各类胶液，利用离心力使滴在基片上的胶液均匀地涂覆在基片上的设备， 膜的厚度取决于匀胶机的转速和溶胶的黏度。匀胶机只能涂布很小尺寸的薄膜，而 且会浪费90的原料。可以尝试喷涂（spraycoating），刮涂（bladecoating）和槽 膜打印（slot-dieprinting）等技术，制备均匀的薄膜。 4. 制备空穴传输层。首先，将520mgLi-TFSI溶于1mLACN中，待溶解完毕，向 72.3mgSpiro-OMeTAD中加入17.5μLLi-TFSI/ACN溶液，28.8Μl四－叔丁基吡啶以 及1mLCB，得到Spiro-OMeTAD溶液，将溶液滴加在钙钛矿薄膜上，旋涂后制得 Spiro-OMeTAD空穴传输层。 5. 制备底电极层。将电池放入模具，置入镀膜机，采用真空热蒸镀的方法沉积金或 镀银膜。至此，完成钙钛矿电池制备，再通过仪器测试电池的光电转换效率。 钙钛矿电池的效率，成本与晶硅电池相比具备明显优势，产业化进程方兴未艾。未 来解决稳定性和大面积制备问题，即可具备广泛商用的可能性。 识别风险，发现价值 请务必阅读末页的免责声明 15 / 25 [Table_PageText] 深度分析|专用设备 二、解决大面积钙钛矿薄膜制备技术痛点，实现高效率 光伏组件制备 钙钛矿电池的产品结构原理和硅基电池差距巨大，因此，需要设计全新的工艺流程， 生产线设备。其中，制备大面积高性能高稳定性均匀高质量的薄膜，是其中的主要 技术痛点。各企业的钙钛矿组件和技术路线有较大的不同，优劣也尚无定论。未来， 随着产业化过程不断推进，优胜劣汰后有望日渐清晰。 图 9一种反式p-i-n型钙钛矿太阳能电池制备流程图 数据来源UW CEI，广发证券发展研究中心 钙钛矿太阳能电池由多个功能薄膜叠加而成，所以制备钙钛矿太阳能电池的基本方 法是在基底上一层层累置薄膜。工艺流程为原料顶电极ITO/FTO入线→激光刻蚀 →清洗→制备第一电荷传输层薄膜→退火/干燥→制备钙钛矿层薄膜→退火烘干→ 制备第二电荷传输层薄膜→退火/干燥→激光刻蚀→底电极制备→激光刻蚀→测试 分拣→